BIOLOGÍA I.

REGULACIÓN DEL AMBIENTE QUÍMICO. SISTEMA EXCRETOR

Sustancias reguladas por los riñones La regulación del ambiente químico interno de un animal implica la resolución de tres problemas diferentes, aunque

entrelazados: 1) la excreción de los desechos metabólicos; 2) la regulación de las concentraciones de iones y otros

compuestos químicos, y 3) el mantenimiento del balance hídrico.

Los principales productos metabólicos de desecho que vierten las células al torrente sanguíneo son dióxido de

carbono y compuestos nitrogenados, principalmente amoníaco (NH3), producidos por la degradación de

aminoácidos. Como hemos visto, el dióxido de carbono se difunde fuera del cuerpo a través de las superficies

respiratorias.

En el Hombre el amoníaco resultante del procesamiento de los desechos nitrogenados se convierte rápidamente en el

hígado en urea, que se difunde al torrente sanguíneo. Este compuesto relativamente no tóxico es llevado luego a los

riñones. Sin embargo, tiene que disolverse en agua antes de su excreción.

EL RIÑON En los vertebrados, las funciones complejas que actúan en la regulación de la composición química de los fluidos

corporales son llevadas a cabo principalmente por el riñón. Los dos ríñones humanos son órganos de color rojo

oscuro, con forma de poroto, que miden unos 10 centímetros de largo y están situados en la parte posterior del cuerpo,

detrás del estómago y del hígado.

La unidad funcional del riñón es la nefrona. Está formada por un ramillete de capilares conocido como el glomérulo y

un tubo largo y estrecho, el túbulo renal, que se origina como un bulbo llamado cápsula de Bowman. El túbulo renal

está constituido por los túbulos contorneados proximal (cercano) y distal (lejano), que en los seres humanos y en

otros mamíferos están conectados por el asa de Henle. El extremo de la nefrona es el conducto colector recto. Cada

uno de los dos ríñones humanos contiene alrededor de un millón de nefronas, con una longitud total de unos 80

kilómetros en un adulto. La orina se forma en las nefronas y pasa de los conductos colectores a la pelvis renal, que

es, esencialmente, un embudo. Desde este embudo, la orina gotea continuamente a través del uréter en la vejiga, que

la almacena hasta que sale del cuerpo a través de la uretra.

Función del riñon La sangre entra al riñon a través de la arteria renal, que se divide

en arterias progresivamente más pequeñas, que llevan finalmente a

las arteriolas, cada una de las cuales irriga un glomérulo. A

diferencia de la mayoría de los otros lechos capilares, un glomérulo

yace entre dos arteriolas: la que lleva al interior es la arteriola

aferente y la que sale es la arteriola eferente. La arteriola eferente

se divide luego a su vez en capilares, los capilares peritubulares

("alrededor de los túbulos") que rodean al túbulo renal y luego se

juntan para formar una vénula que se vacía en una vena pequeña,

desembocando finalmente en la vena renal. Así, la arteriola

eferente es un vaso porta que proporciona un enlace directo entre

dos lechos capilares distintos.

La constricción de las arteriolas aferentes y eferentes mantiene la sangre dentro del glomérulo al doble de presión

aproximada que en otros capilares. En consecuencia, alrededor un quinto del plasma sanguíneo que entra en los

ríñones es forzado a entrar en la luz del túbulo renal a través de las paredes de los capilares glomerulares y la pared de

la cápsula de Bowman. Este primer proceso crucial en la formación de orina se llama filtración, y el fluido que entra a

la cápsula es el filtrado. Excepto por la ausencia de moléculas grandes, tales como proteínas, que no pueden cruzar la

pared de los capilares, el filtrado tiene la misma composición química que el plasma.

El filtrado comienza luego su largo viaje a través del túbulo renal, cuya pared está constituida por una sola capa de

células epiteliales especializadas para el transporte activo. En el segundo proceso en la formación de orina, la

secreción, las moléculas que permanecen en el plasma después de la filtración son eliminadas selectivamente de los

capilares peritubulares y secretadas activamente en el filtrado. Por ejemplo, la penicilina es eliminada de la circulación

de esta manera.

El tercer proceso importante en la formación de orina, la reabsorción, ocurre simultáneamente. La mayor parte del

agua y de los solutos que inicialmente entraron al túbulo durante la filtración son transportados de regreso a los

capilares peritubulares. Por ejemplo, la glucosa y la mayoría de los aminoácidos y de las vitaminas vuelven al torrente

sanguíneo. La secreción y la reabsorción de muchos solutos ocurre por transporte activo; en consecuencia, el riñón

tiene un alto requerimiento energético, más alto sobre una base por gramo que el corazón. Finalmente el fluido

restante -ahora orina- deja la nefrona y pasa a la pelvis renal. Este proceso es la excreción.

Fig. a) En corte longitudinal, el riñón humano se ve que está constituido por dos regiones. La región externa, la corteza,

contiene los mecanismos de filtración de fluidos. La región interna, la médula; está atravesada por los largos bucles de los

túbulos renales y por los conductos colectores que llevan la orina. Estos conductos confluyen y se vacían en la pelvis renal, que

tiene forma de embudo, la cual a su vez, se vacía en el uréter, b) La nefrona es la unidad funcional del riñón. La sangre entra a la

nefrona a través de la arteriola aferente que conduce al glomérulo. El fluido es forzado por la presión de la sangre, a atravesar

las delgadas paredes capilares del glomérulo y entran en la cápsula de Bowman. La cápsula conecta con el largo túbulo renal,

que tiene tres regiones: el tabulo contorneado próximal; el asa de

Henle, que se extiende hacia el interior de la médula; y el túbulo

contorneado distal. A medida que el fluido recorre el túbulo, casi

toda el agua, iones y otras sustancias útiles son reabsorbidos por el

torrente sanguíneo a través de los capilares peritubuíares. Otras

sustancias son secretadas desde los capilares a los túbulos. Los

materiales de desecho y un poco de agua pasan a lo largo de toda

la longitud del túbulo hasta el conducto colector y se excretan

desde el cuerpo en forma de orina.

Conservación del agua: el asa de Henle

El control de la pérdida de agua en la orina es un mecanismo

importante mediante el cual se regula el agua del cuerpo. Los

mamíferos han desarrollado la capacidad de excretar orinas

hipertónicas, o sea, orinas más concentradas que sus fluidos

corporales. En los mamíferos, esta capacidad se asocia con

una porción ahorquillada del túbulo renal, conocida como asa

de Henle. Dos características estructurales son las claves de la

formación de una orina hipertónica. La primera es la vía

formada por la estructura básica de la nefrona. Desde la

cápsula de Bowman, el filtrado entra primero en túbulo contorneado proximal, desciende por el asa de Henle, asciende

por ella, y pasa luego a través del túbulo contorneado distal al conducto colector. La segunda característica es la

permeabilidad diferente al agua, la sal y la urea que muestra la pared en las diferentes partes de la nefrona y la

presencia localizada de proteínas de membrana para el transporte activo de sal. La pared del túbulo proximal es

completamente permeable al agua y contiene proteínas que bombean iones sodio (Na+) por transporte activo hacia

afuera del túbulo, mientras que los iones cloruro (Cl-) los siguen pasivamente. La pared de la rama descendente del

asa de Henle es también completamente permeable al agua, pero es relativamente impermeable a la sal. En la rama

ascendente del asa la situación es muy diferente. La pared de la rama ascendente es impermeable al agua, pero permite

el movimiento de sal: en la porción inferior puede ocurrir difusión de sal, mientras que en la porción superior las pro-

teínas de membrana transportan activamente a los iones sodio y cloruro hacia afuera del túbulo. En el túbulo distal, la

pared es una vez más permeable al agua y relativamente permeable a la sal. Excepto bajo ciertas circunstancias, la

pared del conducto colector funciona de la misma manera. Además, la pared de la porción inferior del conducto

colector es permeable a la urea.

Para comprender la formación de orina hipertónica debemos considerar las consecuencias de la permeabilidad, tanto

del conducto colector como de la rama ascendente del asa de Henle. Primero, dado que la porción inferior del

conducto colector es permeable a la urea, aproximadamente la mitad de la urea contenida dentro del fluido que pasa a

través del conducto se difunde hacia el fluido intersticial que lo rodea, desde el cual finalmente es reabsorbida por los

capilares peritubulares. Segundo, en la porción superior de la rama ascendente del asa de Henle, los iones sodio y

cloruro son bombeados activamente desde el túbulo renal al fluido intersticial, por intermedio de lo que se piensa es

un proceso de cotransporte. Sin embargo, el agua no puede moverse a través de la pared de la rama ascendente.

Como resultado, los iones sodio y cloruro, así como las moléculas de urea, están presentes en altas concentraciones en

el fluido intersticial que baña ambas ramas del asa de Henle y el conducto colector. La urea está más concentrada en

las regiones inferiores y la sal en las regiones superiores. Con esto en mente, sigamos al filtrado a medida que se

mueve a lo largo de la nefrona.

El fluido que entra en el túbulo proximal desde la cápsula de Bowman es isotónico con respecto al plasma sanguíneo,

o sea, tiene la misma concentración de soluto que el plasma. En el túbulo proximal, los iones sodio son bombeados

hacia afuera, y los iones cloruro los siguen pasivamente- El agua se mueve también hacia afuera del túbulo por

osmosis, detrás de estos iones. Así, a medida que el fluido entra en la rama descendente del asa de Henle, es aun

isotónico con el plasma sanguíneo. Sin embargo, su volumen se reduce dramáticamente; aproximadamente 60 a 70%

de los solutos y del agua contenidos dentro del filtrado original son eliminados de éste durante el paso a través del

túbulo proximal. Esta agua y los solutos que contiene son absorbidos casi inmediatamente por los capilares

peritubulares y devuelta al torrente sanguíneo.

Luego la trayectoria del asa conduce al filtrado restante a través de una zona de alta concentración de solutos,

resultado de las propiedades de la rama ascendente y del conducto colector. Comió se ha indicado, las paredes de la

rama descendente son completamente permeables al agua, de modo que abundantes cantidades de agua se mueven por

osmosis desde el túbulo al fluido intersticial (y desde allí a los capilares peritubulares), mientras que sólo cantidades

muy pequeñas de sal se difunden en el túbulo. El fluido dentro del túbulo es ahora hipertónico con relación al plasma.

A medida que el fluido viaja a través de la rama ascendente, un poco de sal se difunde desde la porción inferior del

túbulo y mayores cantidades son eliminadas por la actividad de las proteínas de transporte en la porción superior. En

consecuencia, el fluido dentro del túbulo se hace hipotónico con relación al plasma. En los seres humanos, sigue

siendo hipotónico durante su paso a través del túbulo contorneado distal. Sin embargo, el fluido debe pasar nueva-

mente a través de la zona de alta concentración de solutos a medida que desciende por el conducto colector. La

eliminación o no de más agua depende de la presencia o ausencia de una hormona, la hormona antidiurética (ADH). Si

no hay ADH, la pared del conducto colector es impermeable al agua y se excreta orina hipotónica. Sin embargo, si la

ADH está presente, la pared es completamente permeable al agua. El agua se mueve por osmosis a través de la pared,

dejando dentro del conducto una orina que es isotónica con el fluido intesticial circundante, pero hipertónica con

respecto a los fluidos corporales en conjunto. De esta manera, los mamíferos que necesitan conservar agua son

capaces de excretar un fluido, la orina, mucho más

concentrado que el plasma del cual deriva.

Aunque las bombas iónicas de la rama ascendente

del asa de Henle y la permeabilidad a la urea de la

porción inferior del conducto colector posibilitan

las diferencias de concentración de las cuales

depende este sistema, la estructura ahorquillada

del asa total, desempeña un papel fundamental. El

flujo del fluido a través del asa, suministra otro

ejemplo de un sistema de contracorriente. Como

se indicó previamente, un flujo contracorriente

puede ayudar a mantener diferencias en la

concentración de solutos de un extremo a otro de

un sistema. Cuando está acoplado a un sistema de

transporte activo, como en el asa de Henle, puede

realmente multiplicar las diferencias y se conoce

como multiplicador de contracorriente. Cuanto

más larga sea el asa, mayores serán las diferencias

de concentración que pueden establecerse. Dado

que el factor primario que limita la concentración

de la orina es la concentración de solutos en torno

al conducto colector, no debe constituir una

sorpresa el saber que los mamíferos que excretan la orina más hipertónica también tienen las asas de Henle más largas.

Control de la función renal: el papel de las hormonas En los. mamíferos, varias hormonas distintas actúan sobre la nefrona para afectar la composición de la orina. Una de

estas es la ADH, que se forma en el hipotálamo, un centro regulador importante del cerebro, y se almacena y libera en

la glándula hipófisis. Como se ha visto, la ADH actúa sobre las membranas de los conductos colectores de las

nefronas e incrementa su permeabilidad -al agua, de modo que más agua, por difusión, regresa a la sangre desde el

nefrón. La cantidad de ADH liberada depende de la concentración osmótica de la sangre y también de la presión

sanguínea. Los receptores osmóticos que vigilan el contenido de solutos de la sangre están localizados en el hipo-

tálamo. Los receptores de presión que detectan cambios en el volumen sanguíneo se encuentran en las paredes del

corazón, en la aorta, y en las arterias carótidas. Los estímulos recibidos por estos receptores se transmiten al hipo-

tálamo. Los factores que incrementan la concentración de solutos en la sangre o disminuyen la presión sanguínea, o

ambos, incrementan la producción de ADH y la conservación de agua. Estos factores incluyen la deshidratación y la

hemorragia. Los factores que disminuyen la concentración de sangre, tales como la ingestión de grandes cantidades de

agua, o que incrementan la presión sanguínea (por ejemplo, la adrenalina), envían señales al hipotálamo para

disminuir la producción de ADH, y así se excreta más agua. El estrés por frío inhibe la secreción de ADH y de esta

manera incrementa el flujo de orina. El alcohol también suprime la secreción de ADH e incrementa el flujo de orina,

un fenómeno bien conocido de los bebedores de cerveza y otras bebidas alcohólicas. El dolor y el estrés emocional,

provocan la secreción de ADH y por tanto disminuyen el flujo de orina.

Una segunda hormona, la aldosterona, producida por la corteza suprarrenal, estimula la reabsorción de los iones sodio

del túbulo distal y del conducto colector y la secreción en ellos de iones potasio. Cuando se eliminan las glándulas

suprarrenales o cuando funcionan pobremente (como en la enfermedad de Addison), se pierden cantidades excesivas

de cloruro de sodio y de agua en la orina, y los tejidos del cuerpo se vacían de ellos. El resultado es una debilidad

generalizada, y si un paciente con enfermedad de Addison no recibe una terapia de reemplazo hormonal, la pérdida de

fluido eventualmente puede ser fatal. La producción de aldosterona es controlada por un circuito de retroalimentación

extremadamente complejo que implica niveles de iones potasio en el torrente sanguíneo y procesos iniciados en los

propios riñones. Intervienen también otras hormonas en la regulación de la función renal, en particular en respuesta a

los incrementos en el volumen sanguíneo o la presión sanguínea. La más misteriosa de estas sustancias es el péptido

cardíaco, que inhibe la reabsorción de sodio del túbulo distal e incrementa de esta forma la excreción tanto de sodio

como de agua. Esta hormona, liberada por las aurículas del corazón, aparentemente ejerce sus efectos directamente

sobre la propia nefrona e indirectamente inhibiendo la liberación de aldosterona por la corteza suprarrenal. Receptores

para el péptido cardíaco fueron identificados en ambas ubicaciones. Hay también evidencia de que puede intervenir en

interacción con otros factores en el circuito de retroalimentación que controla la producción de aldosterona. La

complejidad de los mecanismos que regulan la excreción es una evidencia adicional de la importancia crítica que

reviste para los organismos el mantenimiento de un ambiente químico interno constante.

Resumen de formación de orina Una de las principales funciones del riñón es mejor entendida a nivel de la

nefrona.En la formación de la orina, el papel de la nefrona es retirar los desechos metabólicos de la sangre mientras regula el

volumen y la composición de los fluidos del cuerpo. La formación de la orina inicia en el corpúsculo renal, donde la sangre que

pasa a través del glomérulo es filtrada. La filtración incluye agua, iones y otros solutos, los cuales se filtran de la sangre hacia el

espacio de la capsula para comenzar la formación de la orina. La orina pasa por el túbulo contorneado proximal y después por

el asa de Henle. La nefrona concentra a la orina mediante el sistema multiplicador de contracorriente

El sistema multiplicador de contracorriente es básicamente el medio por el que el agua y el sodio son extraídas del filtrado a

medida que pasa por el túbulo hacia los túbulos colectores.

Este sistema es llamado de contracorriente a causa del acomodo dinámico de vuelta cerrada del asa de Henle. La dirección del

flujo en el brazo descendente en el asa es opuesta a la dirección del flujo del brazo ascendente. Al fluir en direcciones

opuestas en tal contigüidad, ocurre una interacción única. El asa de Henle, desciende de la corteza del riñón hacia la médula, y es

rodeado por el líquido intersticial medular. El sistema multiplicador de contracorriente no solo es responsable de elevar la

concentración de orina en el asa, sino que, lo que es más importante, también eleva la concentración del liquido intersticial.

Para explicar el mecanismo de contracorriente debemos imaginar primero el asa llena con una columna estacionaria de fluido

glomerular, que incluya agua, sal y urea. Al principio, la concentración del flujo glomerular y el líquido intersticial que lo rodea,

tendrán la misma osmolaridad* de 300 mOsmoles. Dentro de las paredes del segmento grueso de la parte ascendente de la asa de

Henle bombas especiales extraen sal (cloruro de sodio) del fluido y lo transporta al intersticio. Las dos áreas ya no tendrán más

una presión osmótica igual y se ha establecido un gradiente. Dentro del segmento grueso la concentración esta a 200 mOsmoles

mientras que en el tejido medular la concentración es de 400 mOsmoles. Con el tiempo, la difusión neta de sal hacia dentro del

brazo descendente y la difusión neta de agua hacia fuera del brazo descendente resultan en un equilibrio en la osmolaridad entre el

brazo descendente y el intersticio que lo rodea. Ya que el segmento grueso todavía activamente bombea sal hacia afuera, la

osmolaridad en el brazo ascendente esta aun a 200 mOsmoles, y en el intersticio y en el brazo descendente esta balanceado a 400

mOsmoles. La sal se acumula en la medula mientras agua es extraída del fluido en el brazo ascendente. El agua es removida por la

vasa recta, que son capilares que rodean las asas.

En la vida real, la operación de este gradiente ocurren mientras el líquido esta fluyendo. El liquido que fluye en el túbulo proximal

y sale al túbulo distal junto con el bombeo constante de la sal dentro de la medula contribuye a la “multiplicación” de este

gradiente. A medida que el líquido sigue la vía del asa, una cantidad creciente de agua es extraída llega a la parte inferior y una

creciente cantidad de sal es bombeada hacia afuera cuando el líquido alcanza la parte superior. Entre más sal es bombeada afuera,

es más alta la concentración en la medula. Entre más alta concentración en el medula, más agua es extraída. Eventualmente los

niveles de presión osmótica son iguales horizontalmente, estando el valor más alto en la punta del asa. Este nivel esta a 1400

miliOsmoles/Litro, el cual también es el valor de máxima osmolaridad en la orina excretada. Como puedes ver, el liquido se

vuelve más concentrado cuando rodea al asa pero inmediatamente se rediluye cuando alcanza la parte superior. La concentración

final del líquido ocurre en los túbulos colectores, desde donde debe volver a través del intersticio concentrado de la medula en su

camino a los cálices.

La orina es concentrada aun mas en los túbulos colectores. Los túbulos colectores deben transportar la orina de nuevo a través del

gradiente de concentración formado por el asa de la nefrona. Las paredes de los túbulos colectores son permeables al agua, pero

no a la sal, por lo tanto, una cantidad creciente de agua es extraída por osmosis en tanto el flujo atraviesa al gradiente. El gradiente

provee la fuerza para la concentración de la orina pero la velocidad es determinada por la cantidad de hormona anti diurética

(HAD) en la sangre. Un incremento de HAD en la sangre provoca que los túbulos colectores se vuelvan más permeables al agua.

Menos orina es secretada y es más concentrada. Una disminución de HAD resulta en la disminución del agua removida, y de este

modo un mayor volumen de orina mas diluida es excretada.

*La osmolaridad es la medida usada por farmacéuticos y médicos para expresar la concentración total ( medida en osmoles/litro

en vez de en moles/litro como se hace en química) de sustancias en disoluciones usadas en medicina. El prefijo "osmo-" indica la

posible variación de la presión osmótica en las células, que se producirá al introducir la disolución en el organismo.

La osmolaridad normal de los fluidos corporales es de 300 miliosmoles por litro de solución (0,3 osmoles, similar a una solución

al 0,9 % de NaCl). Una solución o disolución de NaCl 0.1M nos daría 0.1 moles de Na+ y 0.1 moles de Cl

- por litro, siendo su

osmolaridad 0.2. Si se inyecta esa disolución a un paciente sus células absorberían agua hasta que se alcanzase el equilibrio,

provocando una variación en la presión sanguínea.